半穿甲战斗部对不同结构形式板架侵彻效应.pdf
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1、第45卷第5期2023年10 月探测与控制学报Journal of Detection&ControlVol.45 No.5Oct.2023半穿甲战斗部对不同结构形式板架侵彻效应贺一轩1.2,李彩芳1.2,梁灏鸿1.2,邵志豪12,张(1.西安机电信息技术研究所,陕西西安7 10 0 6 5;2.机电动态控制重点实验室,陕西西安7 10 0 6 5)摘要:针对半穿甲战斗部高速侵彻不同结构形式舰船板架时,弹体侵彻能力和引信加速度响应规律认识不清的问题,采用数值模拟的方法研究弹体侵彻等效钢板、单一加筋板和十字加筋板的力学响应和过载特征,分析不同板架结构的毁伤效果和能量吸收,弹体及引信的剩余速度和过
2、载信号。结果表明,不同结构形式板架破口大小一致,靶板的整体变形很小,加强筋产生较多的结构碎片;加强筋对弹体速度的衰减作用影响较小,但可以吸收比靶板更多的能量;加强筋主要影响弹体过载峰值,T型材面板使得弹体过载信号产生“双峰”形态;加强筋使得引信过载信号更为振荡和粘连。关键词:半穿甲战斗部;加筋板架;不同结构形式;高速侵彻;数值模拟中图分类号:TJ43Research on Semi-armor-piercing Warhead Penetrating intoDifferent Forms of Grillage StructuresHE Yixuan-2,LI Caifangl-2,LIAN
3、G Haohongl-2,SHAO Zhihaol-2,ZHANG Kel.2(1.Xian Institute of Electromechanical Information Technology,Xian 710065,China;2.Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory,Xian 710065,China)Abstract:In order to study the penetration ability and overload signal of different forms
4、of warship grillagestructures by semi-armor-piercing warhead,the numerical simulation method was adopted to research on struc-tural mechanical response and overload characteristics when missile penetrating into three types of grllage struc-tures,including equivalent plate,plate of single and double
5、reinforcing ribs.Different forms of grillage structur-al damage effect and energy absorption,residual velocity and overload signal of projectile and fuze were ana-lyzed.The results showed that the uniform size of breaches under different forms of grillage structures,theglobal deformation of the main
6、 plates were not obvious,more and larger structural fragments generated by stiff-eners.Although reinforcing structure had weak effect on the residual velocity of missile,precedes the mainplates high energy-absorption capability.The reinforcing rib effected the peak overload values of projectile.Theo
7、verload signal of projectile was affected by T-profile flat panel,which was showed by a bimodal curve.Fuze o-verload signal became more drastic oscillation and severer adhesion by stiffeners.Key words:semi-armor-piercing warhead;stiffened grillage;different forms of structures;high velocity pene-tra
8、tion;numerical simulation0引言半穿甲侵彻战斗部可以对航母及大型舰船内部高价值目标实现打击和毁伤的效果。反舰弹药在侵彻人舰船内部合适位置甚至指定甲板处作用,战斗*收稿日期:2 0 2 3-0 5-18基金项目:机电动态控制国家级重点实验室创新基金项目(6 142 6 0 1CX2203)作者简介:贺一轩(19 9 6 一),男,湖南衡阳人,硕士研究生。珂1,2文献标志码:A文章编号:10 0 8-119 4(2 0 2 3)0 5-0 0 40-0 9部的高速侵彻能力和引信的计时计层起爆是实现对海上目标有效打击和高效毁伤的主要因素。而实际作战中舰船目标由钢板和纵横交错的
9、加强筋组合构成,加强筋由于良好的力学性能,在舰船结构中得到广泛的应用。因此,开展加强筋对弹体侵彻效应的影响研究具有重要意义。贺一轩等:半穿甲战斗部对不同结构形式板架侵彻效应对于弹体侵彻均质钢板问题,开展了大量的理论和试验研究,已取得丰富成果 1-8 ;目前关于侵彻加筋板架问题,特别是引信过载信号的研究相对较少。文献 9 进行了尖卵形半穿甲战斗部对加强筋与复合材料层组合板架结构的侵彻效应分析,证明了聚乙烯层可以减小低速弹体剩余速度,而加强筋对弹体的侵彻能力影响有限。文献 10 研究了半穿甲战斗部侵彻加筋板架不同位置的结构响应、毁伤变形和弹体的剩余速度,认为加强筋对穿甲效果的影响取决于弹头着靶点。
10、文献 11 开展了圆柱形弹体侵彻单层加筋和三层加筋板架试验研究,结合数值模拟得到了不同弹体初始工况和加筋结构形式下侵彻过程规律,发现非对称侵彻弹体姿态产生明显变化,加强筋相对位置在一定范围内对弹体运动影响较小。文献 12 分析了不同弹体速度区间加强筋板架的抗侵彻性能、吸能模式和加筋形式对弹道轨迹的影响,给出了弹体剩余速度预报公式、各结构的吸能情况,认为T型材对飞行姿态影响较大。然而,不同结构形式加强筋板架对弹体侵彻能力和引信过载信号特征有何影响尚未有研究。针对上述问题,本文研究半穿甲战斗部对舰船板架的侵彻效应和毁伤机理问题,分析加强筋及加强筋结构形式对弹体穿甲能力和引信过载特征的影响,可以为航
11、母及大型舰船的防护设计、半穿甲战斗部的侵彻能力和毁伤效应提供技术支撑。1战斗部侵彻板架概述战斗部对钢板的侵彻效应可以通过以下方法进行分类:按弹体和靶板的结构、材料特性分类;按弹体的速度区间分类;按弹体的着角和攻角分类等。这些都是影响侵彻效应的重要物理参量,其中:弹体形状与侵彻过程中的冲击载荷、主要破坏机制以及大部分能量吸收有着密不可分的关系,尖头弹容易产生韧性扩孔或花瓣撕裂,钝头弹则通常导致冲塞、凹陷、崩裂和破碎等;靶材强度在侵彻深度和弹道极限研究中占有较大比重,且与靶板厚度相关联;靶板厚度影响靶板的局部响应和整体结构响应;侵彻速度将导致不同的毁伤失效机制。而舰船板架结构是由正交加筋板组合而成
12、的封闭式结构,布置有横梁和纵骨加强筋,相比于均质薄板更为复杂且毁伤破坏模式也有所不同。本文的研究问题是尖卵型战斗部高速正侵彻舰船板架。412战斗部对不同结构形式板架侵彻效应战斗部高速侵彻舰船加筋板架过程属于瞬态冲击动力学范畴,涉及材料的强非线性、高应变率,以及信号间的耦合传递等问题,给此类问题的理论研究造成极大的阻碍。实弹试验是研究高速侵彻问题最为直接的手段,但由于试验成本过高、测量困难等原因,一般采用等效缩比试验。而等效缩比的相似准则难以全部满足,并且缩尺比与试验成本以及结果精度之间的矛盾格外显著。而随着计算机技术的飞速发展,高速侵彻问题的研究进入数字化时代,其中LS-DYNA软件能够较好地
13、解决这类问题,具有简单快速、成本低廉、可重复性等优点,因而在爆炸与冲击领域内广泛应用。2.1数值仿真计算方法在LS-DYNA中主要采用拉格朗日方法(Lagrangian)描述战斗部侵彻板架结构过程。该方法材料属性赋予单元上,网格随着物质本身变形,因此有利于物质追踪,可以清晰捕捉材料界面,对不同材料采用相应的本构模型。高速侵彻问题的难点在于如何模拟不同结构之间的相互作用,现阶段主要存在以下几种方法进行处理:运动约束法、分配法和对称罚函数法。罚函数法凭借原理简单、适应性强等优点广泛使用。在计算过程中,在不同物质界面处,构建无质量弹簧,若没穿透就不做任何处理,一且发生穿透则施加惩罚力。该算法虽然逻辑
14、清晰,降低沙漏效应,但为保证运算的进行需对存在初始穿透区域进行调整,因此必须选择合理的算法参数和材料本构模型。2.2有限元模型根据本文的研究内容,确定工况为3 0 0 kg尖卵形战斗部以7 50 m/s正侵彻四层三种不同结构形式板架。弹长1.2 m,弹体直径为0.2 5m,装药质量36kg,引信质量5kg,战斗部有限元模型如图1所示。引信图13 0 0 kg战斗部有限元模型Fig.1 300 kg warhead finite element model1.2m装药弹体42为研究加筋结构形式对战斗部侵彻作用的影响,设计靶板结构时,应保证靶板的总质量、材料和靶面尺寸均保持一致。表1、图2 分别给
15、出了不同结构形式板架尺寸和有限元模型。表1不同结构形式板架尺寸参数Tab.1Different forms of grillage structuresgeometric parameters靶面尺寸靶板厚度结构形式/m等效单一十字(a)弹体正侵彻四层等效靶板(靶间距2.8 m)180mm(b)单一加筋板(c)十字加筋板图2 不同结构形式板架有限元模型Fig,2 Different forms of grillage structures finiteelement models弹体材料为高强度钢3 0 CrMnSiNi2A,引信壳体是TC4钛合金材料,钢板和加强筋为国产船用高强度钢9 2 1
16、A;金属材料采用计及应变率效应的塑性随动硬化模型,该模型主要用来研究金属材料的力学响应,在塑性加工、高速碰撞、非线性屈曲中广泛应用。计算公式为。,=1+()(o+PE,elt)E.EE,=E-E式(1)中,为屈服强度,o为初始屈服强度,E,为塑探测与控制学报性硬化模量,E为弹性模量,E为切线模量,为应变率,er为有效塑性应变,p、C为与应变率有关的参数 13 。其相关参数见表2 一表4。表 2 弹体材料参数 14Tab.2Material parameters of projectilep/(kg m-3)E/GPa7800210加强筋尺寸/mm/mm1510X3003X312.510oy/G
17、Pa0.281.60表3引信材料参数 15Tab.3Material parameters of fuzep/(kgm-3)E/GPa16X18010X30016X180F-10mm16mm(d)加强筋(1)E,/MPa1000y/MPaE./GPa4500113表 49 2 1A 材料参数 16 Tab.4Material parameters of 921Ap/(kg m3)E/GPa7850211装药为HMX,由于本文研究工况下的装药不会受到冲击起爆,且炸药在弹体中占有较大空间及重要位置,因此对载荷传递有着重要影响,为了精确地模拟应力波的传播过程,其相关参数如表5所示。表 5 装药材料参
18、数 17 Tab.5Material parameters of chargep/(kg:m=3)E/GPa185010.12.35弹体侵彻不同板架结构形式力学响应分析图3 给出了战斗部侵彻四层等效靶板首层不同时刻应力云图。弹体撞击首层靶板时,首先钢板中心发生弹性变形,弹性应力波以球面波的形式向外传播;紧接着出现塑性变形,随之塑性应力波开始形成,如图3(a)(c)所示。对于金属钢材料,弹性波传播速度远大于塑性波,弹性波快速到达靶板刚固边界发生反射,如图3(d)所示。如果靶板尺寸较小,弹性波短时间内与原塑性波相互作用耦合,则会产生更加强烈的塑性效应,如图4所示。因此靶板尺寸应该设置地足够大,在弹
19、性波反射与塑性波相遇之前,塑性波已经卸载,如图3(e)、(f)所示。本文中的板架结构尺寸为3 mX3m,远大于弹体的直径0.2 5m,所以靶板刚固边界条件对该问题的研究影响较小。0.330.300.309500y/MPa680.9oy/MPa456.00X1051.13E./GPa1.07Et/Pa贺一轩等:半穿甲战斗部对不同结构形式板架侵彻效应(a)0.05ms(b)0.15 ms43药内部的应力波才刚传递至弹体靠近中间位置处,时间上存在滞后性,如图6(c)所示;当弹体卵型部全部穿透靶板时,经由弹体一装药传递的应力波到(c)0.25ms达引信,与壳体应力波相互耦合作用,造成信号粘连,如图6(
20、d)所示。O(e)0.35 ms3.00+063.600e+06.900+071.020+081.3500+081680+082.0100+082.3400+082.670+083.00+08图3 不同时刻等效靶板首层应力云图(3 mX3 m)Fig.3 Effective stress cloud images of the first equivalent(e)0.45 ms等效应力/Paplate at different time(3 mX3 m)(f)0.60 ms等效靶板3.000e+063.600e+07 6.900+071,020e+081.350+08单一加筋板1.680+0
21、82.0100+082.340e+082.670c+08-3.000+08等效应力/Pa十字加筋板单一加筋板(a)0.20 ms(b)0.35 ms3.00+063.600+076.9006+071020+0813500+081.6806+082.0100+082.340+082.6700+083.00+08等效应力/Pa图4不同时刻等效靶板尺寸首层应力云图(1.5 mX1.5 m)Fig.4Effective stress cloud images of the first equivalentplate at different time(1.5 m X 1.5 m)图5为相同时刻战斗部侵
22、彻板架首层应力云图。不同结构形式会对靶面应力波的传播产生影响,加强筋将限制应力波的传播区域,并且加强筋与靶板的连接处产生明显的分层现象。应力波沿筋内行进,在连接处不同截面发生反射和透射。但是由于高速侵彻是一个瞬态冲击局部破坏的过程,因此有无加筋对靶板的整体变形影响不大。图6 给出了侵彻四层等效靶板首层战斗部不同时刻应力云图。可以看出弹体头部碰靶瞬间,应力波迅速在弹体内部传播,经由卵型部,沿着弹体侧壁向后方传递,如图6(a)所示;弹体继续侵彻靶板,应力波沿着侧壁经过弹体中部并向弹尾方向前进,根据应力波传播特性分析,在卵型部和装药连接处,应力波在不同介质界面传递过程中,会产生反射和透射,由于装药的
23、波阻抗相较于弹体金属材料的小,因此应力波发生衰减,峰值显著降低,并且在装药中的传播速度减小,如图6(b)所示;当侵彻时间达到0.5ms,此时战斗部壳体的应力波已经传递到弹体尾部引信位置处,引信内部传感器接收加速度信号,而装十字加筋板(c)0.50 ms3000+06.3.00+076.900+071020+081350+081.6808+082.00+082.3400+082.6700+083000+08图5相同时刻不同结构形式板架首层应力云图(0.3 0 ms)Fig.5 Effective stress cloud images of the first differentforms of
24、 grillage structures in the same(a)0.30ms(b)0.40 ms(c)0.50 ms(d)0.80 ms3.000+066.00e+06 9.0006+061200+0715006+071.8006+072.1008+072.400+072.700+073.000+07等效应力/Pa图6 不同时刻侵彻等效靶板首层弹体应力云图Fig.6 Effective stress cloud images of projectile penetratinginto the first equivalent plate at different time图7 为战斗部侵
25、彻板架破口示意图。不同结构形式板架薄板整体无明显变形,破口周围局部破坏、断面整齐、无裂纹,表现为典型的韧性扩孔失效模式;不同结构形式破口大小大致相同,略大于弹体直径;T型材腹板截面惯性矩较大,产生剪切破坏;面板与腹板连接处出现剪切撕裂,并在破口附近形成弯曲翻卷,产生较大的结构碎片,由于加筋板T型材的存在,生成的破片相较于等效靶板数量更多、尺寸更大。等效应力/Pamoment(0.30 ms)440.000+002.2-024440-026.6670-028.8896-02 111-011333-01556-01 1.78-012000-01图7 不同结构形式板架破口示意图Fig.7 Diagr
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